Ladungstragertransport und Rekombinationsmechanismen in Chalkopyrit- Dunnschichtsolarzellen

Abstract

Das größte Potential zur Steigerung des Wirkungsgrades in Chalkopyrit- Dünnschichtsolarzellen liegt in einer Erhöhung der Leerlaufspannung. Letztereist durch die Rekombination von Ladungsträgern limitiert.Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung dieses Rekombinationsmechanismus in Dünnschichtsolarzellen auf der Basisvon CuInS2. Die Klärung der Mechanismen, die die Leerlaufspannung bestimmen,ist insbesondere für Zellen relevant, deren Wirkungsgrad annähernd dem experimentell erreichbaren Maximum entspricht. In dieser Arbeit wurde daher ein Verfahren zur Herstellung effizienter CuInS2-Dünnschichtsolarzellenentwickelt. Ansätze zur Erhöhungdes Wirkungsgrades wurden mit Simulationsrechnungenaufgezeigt und experimentell umgesetzt. In den Rechnungen konnte die Möglichkeit einesbeleuchtungsabhängigen Bandverlaufs aufgezeigt werden. DieUntersuchung des Rekombinationsmechanismus erfolgte daher für Solarzellen mit und ohne Beleuchtung.Es konnte gezeigt werden, daß die Leerlaufspannung durch thermisch aktivierte Rekombination der Ladungsträger an der Grenzfläche bestimmt ist.Dagegen ist der dominierende Rekombinationsmechanismus der unbeleuchteten Solarzelle ein Tunnelprozeß, bei dem Ladungsträger in Grenzflächenzustände tunneln und dort rekombinieren.Für die Beleuchtungsabhängigkeit derRekombination in CuInS2-Heterostruktur-Solarzellen wurde ein Modell entwickelt, nach dem donatorische Zustände im Absorber mit akzeptorischen Grenzflächenzuständen wechselwirken. Durch Umladungsprozesse unter Beleuchtung wird der Feldverlauf und damit der Rekombinationsmechanismus verändert. Dieses Modell konnte durch gezielte Experimente unter spektral variierterBeleuchtung und durch Simulationsrechnungen bestätigt werden.

Recombination of charge carriers limits the open circuit voltage and hence efficiency of chalkopyrite thin film solar cells. It has been the goal of this work to determine the recombination mechanism in thin film solar cells based on CuInS2. Development of a preparation process that yields state of the art solar cells has been a necessary first step to ensure the relevance of this work. Approaches to increased efficiency were deduced from numerical calculations and applied in the experiment.The calculations suggested that the band bending within the device may be illumination dependent. JV curve measurements providing the data for the identification of the recombination mechanism have therefor been performed with and as well without illumination. It has been shown that under illumination the open circuit voltage is determined by thermally activated recombination at the interface, whereas tunneling of carriers into interface states is the dominant recombination mechanism in the dark.Within a model, developed in this work, the changed recombination is due to an illumination dependent band bending.